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盾构机倒拔施工关键技术

盾构机在始发阶段因机械故障或受地质条件等因素影响而无法正常掘进，在此特殊工况条件下往往受周边环境制约无法处理，或处理费用过于高昂。上海潘广路—逸仙路电力隧道工程中，盾构机在始发阶段掘进至6.6m时因故障无法正常掘进，通过采用盾构机倒拔施工技术，并攻克倒拔装置选用、空腔填充、洞口稳定等关键技术环节，从而解决特殊工况下盾构机处理难题。
1 工程概况
1.1 概述
上海潘广路—逸仙路电力隧道工程11^#～12^#井区间隧道长1.06km，隧道内径为5.5m。采用φ6340mm土压平衡盾构机进行掘进，盾构机长8.758m，总质量约300t。隧道出洞口中心绝对高程为-7.055m，场地绝对高程为+3.80m。洞圈内径为6700mm，洞口加固区采用三重管高压旋喷桩进行加固，沿隧道掘进方向长6.0m，盾构机周围各3m。
盾构机于11^#工作井始发后掘进6.6m处（盾构机刀盘已出设计6m洞口加固区），因地下不明障碍物突发故障无法正常掘进。在此工况条件下无法进行大型维修，因此需将盾构机倒拔至工作井内维修或调换另一台盾构机。
1.2 工程地质
本工程主要涉及土层为：①1层人工填土、③1灰色淤泥质粉质黏土、③2灰色砂质粉土、③3灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色淤泥质黏土。隧道轴线涉及土层为③3灰色淤泥质粉质黏土与④灰色淤泥质黏土。
1.3 周边环境
11^#工作井位于上海市市区，施工场地毗邻市政道路，隧道前方3.5m处为高压电缆箱涵，沿周边道路下方有军用、信息、电力和路灯等众多管线，工作井正上方有220kV高压电缆，距场地约18m，周边环境复杂。
2 施工难点分析
本工程地处上海市区且周边环境复杂，在盾构机倒拔施工过程中，如何减小对周边环境影响为施工重点、难点，因此需采取针对性措施解决如下关键技术难题：
1）需确保盾构机倒拔产生的空腔得到及时有效填充，防止因空腔填充不到位产生沉降进而对周边环境造成不利影响。
2）盾构机倒拔至工作井内时，需确保洞口稳定性，防止因洞口垮塌造成灾难性事故。
3）盾构机倒拔装置需有止退措施，对盾构机倒拔速度进行控制、限位，防止盾构机在倒拔过程中（特别是盾构机倒拔后半段摩阻力越来越小）因倒拔速度过快、空腔填充不到位，引起周边土体沉降。
3 倒拔关键施工技术
3.1 钢板桩保护措施
加固区前方存在电缆箱涵，周边又有重要管线及市政道路，为减小对周边环境的不利影响，在倒拔施工前采取钢板桩保护措施。在刀盘正前方洞口加固区外打设钢板桩围护，钢板桩与原洞口高压旋喷加固必须有效搭接，形成牢固、封闭、完整的围护体系。
为保证钢板桩质量及刚度，采用40^#H型钢作为钢板桩。在打设前，在钢板桩上涂满黄油，后续顺利拔除（图1）。

3.2 倒拔装置
倒拔装置是整个施工技术的前提条件，为此，根据现场实际工况加工制造了一套简便实用、易于操作、可控性强的倒拔装置，包括反力架系统、止退系统。反力架系统将盾构机倒拔，止退系统进行配合并保证盾构机倒拔平稳受控。
3.2.1 反力架系统
为了将盾构机后退至工作井内，采用加工制造的反力架系统牵拉盾构机使其后退。反力架系统由牵引梁、横梁、后退支撑、千斤顶组、油泵车等组成（图2）。牵引梁（40^#工字钢）一端焊接在盾构机本体上，另一端与横梁（40^#H型钢三拼）焊接成整体，一台油泵车控制千斤顶组油缸顶动横梁并通过后退支撑（由多个长90cm的φ609mm钢管组成）反作用于工作井内衬墙上，牵引盾构机后退。

3.2.2 止退系统
在盾构机后退过程中（特别是盾构机后退后半段摩阻力越来越小），必须采用止退系统进行限位控制，防止因盾构机后退过快导致注浆填充不及时、不充分而引起盾构机周边坍塌。在反力架后退方向设置止退系统，止退系统由2只400t千斤顶与φ609mm钢管支撑组成，通过千斤顶油缸回缩控制后退速度（图3）。

3.3 空腔填充
由于盾构机倒拔导致机头前方产生空腔，如何及时、密实填充此空腔极为关键，也是防止对周边环境造成严重不利影响的关键环节。
为确保空腔得到及时有效填充，采用浆液填充。填充浆液拟选择以下2种：水泥+粉煤灰+三乙醇胺混合浆液（经试验，该浆液凝结速度快，能快速形成一定的强度）；盾构隧道施工同步注浆浆液，配合比为：砂∶粉煤灰∶膨润土∶石灰∶添加剂∶水=800∶400∶50∶100∶3∶340，该浆液具有一定的流动性，可保证刀盘前方填充密实，但该浆液凝固时间较长，且强度较低。
盾构机在后退过程中需不断停顿，若采用混合浆液，由于其凝结速度快，很容易造成注浆管路堵塞，且该浆液需人工自拌，无法保证注浆连续性。经讨论决定采用盾构施工同步注浆浆液作为填充材料，该浆液不易堵管，且采用商品浆，可保证浆液持续供应，考虑到强度问题，可在后期进行高压旋喷桩补强加固。
填充浆液注浆系统如下布设：
1）填充浆液注浆系统采用台车内同步注浆系统。
2）注浆管布置于4个土压力计孔中，分布于上下左右4个点。
3）在盾构机胸板处注浆管上安装压力表及流量计，实时控制注浆压力及注浆流量。
3.4 盾构机倒拔
1）清空土仓、刀盘加固。为防止盾构机后退过程中刀盘与盾构机本体脱离，在钢板桩插打完成后，打开盾构机气压舱门，利用带压水枪将土仓内泥土完全清空，人员进到土仓将刀盘与壳体焊接牢固。
2）盾构机倒拔要点如下所述：
①盾构机倒拔前通过填充注浆系统将土仓及刀盘前方注浆填充，防止盾构机后退导致刀盘前方钢板桩变形，扰动周边土体造成塌方。
②待浆液凝固后（12h），开始后退盾构机，后退过程中需注意：8只千斤顶必须由1台液压泵同步控制并保证同步伸出，防止盾构机和反力架不均匀受力；盾构机后退速度需与注浆填充同步，保证盾构机后退形成的空腔及时填充，盾构机每退出2cm注浆0.631m³，注浆停止时，采用触变泥浆将管路清洗干净；在注浆管上装配压力表，确保盾构机后退注浆过程中，注浆压力保持在0.1MPa以内，从而减小周边土体沉降；后退支撑与工作井内衬墙之间必须设置钢垫板扩大受力面积，防止应力集中导致内衬结构破坏；千斤顶操作钳工、注浆泵控制人员、盾构机后退行程观察人员要协同作业，保证填充注浆与后退施工同步进行，同时密切关注沉降监测数据，指导后退施工。
③每推完1个千斤顶行程后将油缸回缩，增加长90cm的φ609mm钢管将后退支撑接长，然后继续下一节行程的推进，如此循环接长后退支撑直到将盾构机后退至井内。
④在盾构机后退过程中（特别是盾构机后退后半段），必须采用止退系统对盾构机后退进行控制，保证盾构机倒拔平稳受控。
3.5 洞口稳定
盾构机倒拔至井内时，洞口稳定性为最后关键环节。由于空腔填充浆液固化慢且强度低的特性，必须采取相应措施确保洞口稳定。
1）补强加固。受场地上方高压电缆及场地狭小等因素限制，无法采用旋挖清障机（清理原加固土）并插打钢板桩等措施封堵洞口。根据现场实际工况，决定采用高压旋喷桩对填充浆液进行补强加固，加快浆液固化速度，提高浆液强度，使得洞口浆液自立、稳定。在盾构机刀盘后退至洞圈内约60cm时，暂停后退施工，将盾构机与洞门钢套圈焊接固定后开始补强加固。高压旋喷桩采用二重管法：桩径为φ800mm，搭接500mm。采用P.O42.5水泥，水灰比为1∶1，水泥掺入量25%。水泥浆液中掺加10%～20%氯化钙，加快浆液固化速度（图4）。

2）洞门密封。待洞门高压旋喷桩填充加固完成养护后进行取芯，加固土强度达到0.8MPa后，将盾构机完全退出洞口至井内指定位置。同时，在盾构机刀盘后退距洞圈80cm后，采用预加工完成的厚2cm钢闷板将洞m钢闷板将洞口封堵，以防止在后续盾构施工准备过程中，洞口失稳造成洞口塌方。
①封堵钢板与洞圈采用螺栓连接，便于盾构机再次出洞时迅速拆除。
②封堵钢板上设置注浆孔，可以对洞圈内及时补浆，也可作为盾构再次出洞前的探孔。
3.6 沉降监测及警戒值设定
根据工作井周边的环境情况，在盾构机后退倒拔施工前对周边管线、电力箱涵及周边地表进行布设沉降监测点，并专门设立监测小组，盾构机后退过程中24h不间断进行监测，以监测数据来指导盾构机后退施工。管线及箱涵报警值为：速率单次-3～+3mm，累计-10～+10mm；周边地表报警值：速率单次-5～+5mm，累计+10mm、-30mm。
4 结语
本文结合背景工程针对盾构机在始发阶段无法正常掘进工况，通过采用盾构机倒拔施工技术，顺利解决特殊工况下盾构机处理的难题。此项施工技术具有受环境影响小、简便易操作、处理费用低等特点，通过对倒拔装置选用、空腔填充、洞口稳定等关键技术环节的解决，为以后类似工况下盾构机处理提供了有益借鉴与参考。

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